1

I processi mediante i quali le molecole biologiche vengono scisse e risintetizzate formano una rete di reazioni enzimatiche, complessa e 

finemente regolata, detta metabolismo dell’organismo.

Questa rete consente di produrre ed utilizzare energia libera. 

  2

Catabolismo o degradazione(ossidazioni esoergoniche)

Anabolismo o sintesi(processi endoergonici)

Processi esoergonici ed endoergonici sono 

accoppiati mediante la sintesi intermedia di 

composti “ad alta energia” come l’ATP o di coenzimi come l’NADPH

  3

Gli organismi viventi possono essere suddivisi in base alle loro richieste nutrizionali, cioè in base alla fonte di 

energia libera che utilizzano, e quindi del tipo di metabolismo che impiegano.

Autotrofi :   chemiolitotrofi       fotoautotrofiOssidazione di composti inorganici

 NH3, H2S          H2O, CO2 

Eterotrofi :   aerobi e anaerobi facoltativi/obbligati

Ossidazione di composti organici (carboidrati,proteine,lipidi)

  4

  5

  6

  7

Le  vie  del  metabolismo degradativo  di  carboidrati, proteine  e  lipidi  convergono verso  la  formazione  di  un numero  limitato  di  intermedi comuni  che  vengono  poi utilizzati  in  una  via  ossidativa centrale.

Nelle  vie  del  metabolismo biosintetico un numero limitato di metaboliti  viene  utilizzato  per  la produzione  di  una  grande varietà di prodotti.

  8

  9

Nella cellula le vie metaboliche hanno localizzazioni specifiche

Vantaggio : compartimentalizzazione di vie metaboliche opposte e di attività enzimatiche “antagoniste”

Svantaggio : necessità di trasportatori attraverso le membrane che delimitano i compartimenti cellulari.

  10

Tutte le trasformazioni energetiche che avvengono in natura seguono le leggi della termodinamica 

e gli esseri viventi non sfuggono a questi principi.

Le cellule sono trasduttori (trasformatori) di energia efficacissimi e sono sistemi termodinamici che operano a 

temperatura costante.

  11

Il secondo principio della termodinamica introduce il concetto di entropia (S), che è l’equivalente matematico del 

disordine molecolare e dice che in ogni trasformazione energetica la somma delle variazioni di entropia del sistema­universo aumenta. Come dire che in tutte le reazioni con scambi d’energia il disordine molecolare 

dell’universo aumenta.

Apparentemente gli esseri viventi sfuggono al secondo principio della termodinamica ma ciò, oltre a essere 

impossibile, non è vero. Essi riescono a mantenere l’ordine interno e quindi entropia negativa, rilasciando nell’ambiente 

fattori antropici che compensano ampiamente l’ordine interno ed in modo che l’entropia ambiente­sistema cellula sia 

maggiore di 0. 

  12

  13

Molte reazioni metaboliche sono reazioni vicine all’equilibrio, in cui   ∆ G ~0  e la velocità è regolata dalle concentrazioni relative di substrati e prodotti.

Alcune reazioni metaboliche sono reazioni lontane dall’equilibrio per eccesso dei substrati; la velocità è regolata dagli enzimi che regolano il flusso attraverso quella via metabolica.

  14

Questo determina che:

• Le vie metaboliche sono irreversibili

• Ogni via metabolica ha una (prima) “tappa di comando”    (∆ G << 0) 

• Il flusso attraverso una via allo stato stazionario è ~ costante e viene determinato dalla “tappa di comando”, la cui velocità è regolata in risposta alle richieste dell’organismo.

• Le vie anaboliche e cataboliche sono differenti.

  15

VELOCEMENTE (secondi o minuti)

3. Controllo allosterico (da substrati, coenzimi, prodotti – anche di reazioni successive)

4. Modificazione covalente (ad es. fosforilazione)5. Cicli del substrato (variazione della velocità di due 

reazioni opposte catalizzate da due enzimi diversi)

LENTAMENTE (ore o giorni)

10.Controllo genetico della concentrazione dell’enzima. 

La velocità della “tappa di comando” è regolata in diverse maniere:

  16

Ad es. ossidazione completa del glucosio ∆ G°’ = ­2850 kJ . mole­1

 

   Necessità di intermedi che conservano “pacchetti di energia” e la rendono poi 

disponibile per altre reazioni endoergoniche.

Una via catabolica nel suo insieme può essere fortemente esoergonica

  17

ATP + H2O      ADP + Pi

ATP + H2O      AMP + PPi

ATP adenosina trifosfato

∆ G°’ = ­ 30.5 kJ . mole­1 

∆ G°’ = ­ 32.2 kJ . mole­1 

  18

Le risonanze in competizione tra loro e le repulsioni carica­carica tra i gruppi fosfato rendono meno stabile l’ATP rispetto ai suoi prodotti di idrolisi

  19

A + B  C + D    ∆ G1>0D + E  F + G    ∆ G2<0

ACCOPPIANDOLE :

A + B + E  C + F + G    ∆ G3 

SE     ∆ G3 = ∆ G1 + ∆ G2 < 0

 la via metabolica è spostata verso destra

 le reazioni accoppiate rendono possibili le vie metaboliche

L’idrolisi dell’ATP accoppiata a reazioni endoergoniche le rende possibili

  20

NTP

ATP + NDP       ADP + NTPNucleoside difosfato chinasi

L’ATP non è l’unico intermedio che conserva energia ∆

G id

rolis

i

  21

L’Acetil­CoA si comporta da trasportatore di gruppi acetili e acili, ma anche da composto “ad alta energia” per il suo legame tioestere parzialmente instabile (∆ G°’ = ­ 31.5 kJ . mole­1) 

β ­mercaptoetanolammina

acidopantotenico

Adenosina 3’fosfato

Gruppo acetile

  22

Acido pantotenico (Vitamina B5)

L'acido pantotenico sembra essere ubiquitario. Si  trova, in particolare, nel fegato, del tuorlo dell'uovo, nei cereali e  nei  legumi.  Data  la  grande  diffusione  dell'acido pantotenico  in natura,  non  è  possibile  avere un quadro chiaro degli effetti della carenza di acido pantotenico  in quanto  si  accompagnano  a  stati  di  denutrizione  e  di ipovitaminosi.  La  carenza  nella  dieta  provocava  la pellagra dei polli. 

  23

La conservazione dell’energia durante l’ossidazione di substrati può avvenire anche mediante trasporto di elettroni scambiati in 

reazioni di ossido­riduzione.

Ad es.nella fosforilazione ossidativa il trasporto di elettroni e la formazione di un gradiente di protoni transmembrana promuove la formazione di ATP.

I più comuni trasportatori di elettroni sono i coenzimi nucleotidici 

nicotinamide adenina dinucleotide (NAD+) e la flavina adenina dinucleotide (FAD).

  24

  25

R = ribosio­pirofosforil­adenosinaH:­ = ione idruro, donatore di due elettroni

  26

  27

  28

1.FAD (forma ossidata o chinonica)

2.FADH (forma radicalica o semichinonica)

3.FADH2 (forma ridotta o idrochinonica)1.

2.

3.

R = ribitolo­pirofosforil­adenosina

Il FAD può accettare uno o due elettroni

Nei sistemi biologici ossidazione e deidrogenazione

sono spesso funzionalmente equivalenti

  29

Le  reazioni  redox  sono  reazioni  di  trasferimento elettronico  divise  in  due  semi­reazioni  accoppiate (una  riduzione  ed  una  ossidazione)  che  devono avvenire simultaneamente.

Fe 3+ + e­   Fe 2+  (riduzione)

Cu+    Cu 2+ + e­  (ossidazione) 

Fe 3+ + Cu+  Fe 2+ + Cu 2+ (reazione complessiva) 

  30

Una reazione di ossidoriduzione è un trasferimento di elettroni e nella cellula vi sono tre modi principali di farlo:

• Trasferimento diretto di elettroni da una coppia redox.

  Esempio:  Cu2+/Cu+  cede  un  elettrone  alla  coppia  redox Fe2+/Fe3+  secondo l'equazione:    

                                            Cu+    +  Fe  3+      Cu2+  +  Fe    2+  

  31

2. Trasferimento di due atomi di idrogeno  ricordando che essi  sono  in  definitiva  composti  da  due  elettroni  e  due protoni (H+).

           Un  substrato  ridotto  lo  possiamo  rappresentare legato  a  due  atomi  di  H  ed  è  il  donatore  di  protoni  ed elettroni secondo lo schema:

                             SH2           S + 2e­ + 2H+

SH2 ha  perso due atomi di H e si è ossidato in S.  SH     2    può cedere gli elettroni ad un altro  composto I che si riduce. 

                               SH2 + I       S + IH2

Conviene  imparare  a  leggere  queste  reazioni  parlando  di substrato  ridotto  (SH2),  substrato  ossidato  (S), intermedio ridotto (IH2) ed     intermedio ossidato (I)

  32

3.   Trasferimento  di  elettroni  sotto  forma  di          ione idruro H­ formato da due elettroni e un protone (:H)

Gli  enzimi  che  operano  i  trasferimenti  di  elettroni tramite  trasferimenti  di  idrogeno  di  chiamano deidrogenasi  e  saranno  fondamentali  nel metabolismo energetico (e non solo). I loro coenzimi FAD  e  NAD+  saranno  in  grado  di  accettare rispettivamente 2 atomi di H, come visto al punto 2 e uno ione idruro, come visto al punto 3.

  33

Le reazioni redox si possono separare fisicamente in una cella elettrochimica e seguono 

l’equazione di Nernst :

∆ E = ∆ E° ­ RT ln  [Arid][Boxn+]

       nF      [Aoxn+][Brid]

∆ E è detta forza elettromotrice o potenziale di riduzione.

  34

Se ∆ E > 0   ∆ G < 0

∆ E è detta forza elettromotrice o potenziale di riduzione.

Più  è  positivo  il  potenziale  di  riduzione  standard, maggiore è l’affinità per gli elettroni della forma ossidata della coppia redox, cioè maggiore sarà la tendenza della forma ossidata ad accettare elettroni e quindi diventare ridotta.

  35

  36

Il potenziale di riduzione di una specie molecolare risente delle “condizioni al contorno”;

 ad es. il potenziale redox del Fe3+ varia per il metallo contenuto nei vari citocromi.

Semi­reazione E°’ (V)

Cit a3(Fe3+) + e­  Cit a3(Fe2+)  0.385Cit a (Fe3+) + e­  Cit a (Fe2+)  0.29Cit c (Fe3+) + e­  Cit c (Fe2+)  0.235Cit c1(Fe3+) + e­  Cit c1(Fe2+)  0.22Cit b (Fe3+) + e­  Cit b (Fe2+)  0.077

  37